原因是它们在任意截面处有相同的面积,所以它们的体积是相等的。在此基础上,诞生了著名的“祖暅原理”:幂势既同,则积不容。就是说:如果两个几何体在任意截面处的面积都相等,那么这两个几何体的体积是相等的!要知道在西方,需要等到一千年后,由意大利数学家卡瓦列利才提出这一原理。
有了这个原理,就不需要硬求“牟合方盖”的体积了,只需要找到一个和“牟合方盖”体积相同的几何体,这个几何体需要满足两个条件:①简单易求,②与方盖满足“幂势既同,则积不容”。
又到了脑洞大开的时间,这个几何体终于被小祖同学找到了。
首先,小祖把“牟合方盖”进行8等分我们把它称之为8个“小方盖”,切割方法是:俯视方盖,横竖两刀,正视方盖,横着来一刀。(如果想象不出来,不妨做一道小学奥数题:如何用三刀把一块蛋糕分成八块?)这个时候只一个小方盖,整个方盖就搞定了。
牟合方盖被8等分
牟合方盖被8等分后,其中的一块
接下来,小祖发现,找到这样的一个几何体还是很困难的,再次“取巧”,动用“割补法”当我们求不出目标几何体的体积,试图把它不成一个规则的几何体,再减去剩余部分就行了。接下来我们详细展示一下小祖是如何运用“祖暅原理”求出“小方盖”的体积的。我们会用到大量的现代数学符号,而当时小祖同学却没有这些便利的工具,所以说小祖同学的智力确实是卓越非凡的!
设球的体积是r,将“小方盖”放在棱长为r的正方体中,定义:把正方体中除去小方盖部分称为“小方盖剩余”,找到与其“幂势既同”的几何体。先计算图二的阴影,在用正方形的面积减图二阴影,得到图一的阴影面积。再构建一个倒放的四棱锥,使得与“小方盖剩余”符合“祖暅原理”。
具体过程: